Spalovací motory jsou špinavý byznys. Otravují vzduch znečišťujícími látkami, ochuzují planetu o neobnovitelné zdroje a udržují americkou ekonomiku závislou na zemích, do kterých bychom se raději nepletli. Je to ošklivá závislost.
A přesto.
Nikam nezmizí. Alespoň ne v blízké budoucnosti.
Slyšel jsi sliby. Elektromotory, hybridní pohonné jednotky, vodíkové palivové články, dokonce i vozidla na stlačený vzduch. Technologický sektor miluje spasitelské příběhy. Žádná z těchto alternativ ale zatím není připravena nahradit spalovací motor. Elektromobily jsou samozřejmě blízkou životaschopnou budoucností. Ty se ale nabíjejí hodiny, mají omezený dojezd a nemůžete jen tak sjet z dálnice a natankovat za pět minut. Opravdu chcete být uprostřed ničeho s vybitou lithium-iontovou baterií a bez jediného člověka v okruhu padesáti mil, který ví, jak nastartovat auto?
Hybridy jako Toyota Prius jsou životaschopné. Jsou oblíbené. Ale stále mají spalovací motor. Neřeší problém; pouze oddalují nevyhnutelné zúčtování.
Vodíkové palivové články? Jsou úžasné svým pojetím. Za dvacet nebo třicet let se stanou mainstreamem. Do té doby budete pravděpodobně nakupovat falešné zuby. Auta poháněná stlačeným vzduchem? Zkuste takto nabít pumpu na kolo, než ji nazveme připravenou k výrobě.
Tyto technologie jsou důležité. Think tanky a výrobci usilovně pracují na výzkumu a vývoji. Cesta do práce pro vaše vnoučata bude záviset na nich. Jednoho dne nás jeden z nich zbaví naší závislosti na fosilních palivech.
Ale nemůžeme čekat třicet let. Potřebujeme něco, co funguje teď. Něco praktického pro příštích pár let.
Potřebujeme lepší spalovací motor.
Dobrá zpráva? Jsou na cestě. Jednodušší. Úspornější. Méně znečišťující. Pokud ještě nemůžeme vyřadit ICE, můžeme ho alespoň přimět, aby se choval slušně, když cválá po veřejných ulicích.
Seznamte se: motor OPOC.
Pokud vám tato zkratka není známá, řekněte ji nahlas. Opposed-Piston Opposed-Cylinder (motor s protilehlými písty a protilehlými válci). Je těžké to vyslovit. Stačí tomu říkat OPOC. Společnost Ecomotor, která vlastně vyrábí tyto motory pro spotřebitelské vozy, bere tento koncept vážně. Jejich cílem je být připraven vstoupit na trh dlouho předtím, než se vodík stane novým trendem.
Kdo tento projekt podporuje? Bill Gates. Ano, stejný Bill Gates. Pokud někdo rozumí špičkovým a praktickým technologiím, pak je to spoluzakladatel společnosti Microsoft. Jeho investice signalizuje, že jde o víc než jen o garážové hobby. Toto je vážný uchazeč o revoluci ve způsobu, jakým používáme benzín.
Co je tedy OPOC? Jak se to liší od V6 nebo řadové čtyřky, která vám hřmí pod kapotou? Abyste porozuměli inovacím, musíte porozumět standardu.
Jak fungují standardní motory automobilů a jaký je rozdíl s OPOC
Většina aut jezdí na čtyři nebo šest válců. Pokud máte více než šest, řídíte muscle car a pravděpodobně tu nejste od toho, abyste diskutovali o spotřebě paliva.
Válec je přesně to, co zní: válcová díra v bloku motoru. Uvnitř je píst – pohyblivá trubka. Zkombinujte tento píst s benzínem, vzduchem a jiskrou a získáte výbušnou hnací sílu. Toto je krátká verze.
V tradičním motoru je každý válec uzavřen nahoře. Plyny zachycené mezi horní částí pístu a hlavou válce musí zůstat během spalování uzavřeny. Výrobci používají dva ventily v horní části každého válce pro řízení proudění vzduchu a výfukových plynů. Jedním z nich je sací ventil, který umožňuje průchod vzduchu a paliva. Druhým je výfukový ventil, který po spalování uvolňuje výfukové plyny.
Tyto ventily se otevírají a zavírají v přesné mechanické synchronizaci s pohybem pístu. Výfuk venku. Čerstvý vzduch uvnitř. Načasování je všechno.
OPOC tuto dynamiku mění. Neutahuje jen ventily; přemýšlí o samotném válci.
Proč jsou dva písty lepší než jeden
Čtyřtaktní cyklus není žádnou novinkou. Inženýři z devatenáctého století na to přišli a hodně si vypůjčili z logiky parních strojů. Funguje to. Je spolehlivý. Ale je také těžký. A objemné. A pokud toužíte po poměru výkonu a hmotnosti, tahat se s osmi nebo dvanácti válci jen proto, aby se lineární pohyb změnil na kruhový, vám připadá jako daň za fyziku.
Co když tedy snížíte počet válců na polovinu?
Nikoli zvýšením jejich velikosti. Ale tím, že je přimějeme ke vzájemné interakci.
Seznamte se s motorem s protilehlými písty (opačné písty).
Zapomeňte na tradiční konstrukci, kdy píst tlačí na hlavu válců. V tomto uspořádání není žádná hlava. Žádné ventily. Ve „stropu“ spalovací komory nejsou namontovány žádné zapalovací svíčky. Jen dlouhá trubka se dvěma písty, které proti sobě tlačí na opačných koncích. Pohybují se synchronizovaně. Když se setkají uprostřed, stlačují směs vzduchu a paliva. Když se od sebe oddálí, vytvoří podtlak pro příjem.
Zní to jednoduše. Ale to není pravda.
Jak vlastně funguje smyčka protilehlých pístů
Podívejme se na pohyb krok za krokem. Máte válec A a válec B, ale ve skutečnosti je to jedna souvislá díra. Píst 1 vstupuje zleva. Píst 2 vstupuje zprava.
Jak se k sobě přibližují, uzavírají vstupní okénka. Směs vzduchu a paliva se zachytí. Stlačený. Tlak prudce stoupá. Toto je fáze komprese, stejně jako u řadového čtyřválcového motoru ve vaší Hondě Civic. Pak se ale místo zapálení zapalovací svíčky vstřikuje palivo přímo do horkého stlačeného vzduchu.
Samovznícení (samovznícení).
Není potřeba jiskra. Oheň je zapálen pouze teplem stlačování. Technicky jde o variantu dieselového cyklu, i když používáte benzín. Exploze současně vytlačí oba písty ven. Otevírají výfuková okna. Spálené plyny unikají. Cyklus se resetuje.
Žádná hlava válců znamená žádné těsnění hlavy válců, které může selhat. Nejsou zde žádné ventily, které by se daly zlomit. Méně pohyblivých částí k opotřebení.
Geometrie je pevná. Písty musí zůstat dokonale synchronizované. Pokud je jedna o milimetr mimo, neminou jen vrchol komprese. Mohou se srazit. Kov na kov. Při tisících otáček za minutu. Nejedná se o rekonstrukci. Tudy vede cesta na skládku.
Připojení klikového hřídele: Není to tak, jak si myslíte
Zde je zvrat, který porušuje většinu konstrukcí motorů. U standardního motoru V6 nebo plochého čtyřválce jsou písty spojeny s jediným klikovým hřídelem. Skutečný motor s protilehlými písty má dvě klikové hřídele.
Jeden pohání levý píst. Ten druhý má pravdu.
Jsou spojeny rozvodovými koly nebo řetězy, které zajišťují, že když píst 1 klesá, píst 2 stoupá. Rotace přirozeně kompenzuje vibrace. Nejsou potřeba žádné protizávaží. Motor je ve své podstatě vyvážený.
Tato konstrukce byla populární u leteckých motorů během druhé světové války. Junkers Jumo 205 poháněl vše od bombardérů po ponorky. Proč? Protože to bylo kompaktní. Měl nízký profil, takže se snadno vešel do těsných trupů. A byl odolný. Když odstraníte hlavu válců, odstraníte největší zdroj hromadění tepla a poruch ve spalovacím motoru.
Ale má také nedostatek flexibility.
Proč jsme to opustili (a proč se vracíme)
Motory s protilehlými písty mají na spotřebitelském trhu fatální chybu: emise a flexibilitu paliva.
Protože sací a výfukové kanály jsou otevírány a zavírány samotnými písty, je čištění spalovací komory obtížné. Nemůžete ovládat časování ventilů nezávisle. Překrytí ventilů nemůžete snadno měnit. To znamená, že ladění na čisté emise je noční můra. Moderní předpisy vyžadují přesnou kontrolu toho, kdy plyny vstupují do komory a kdy ji opouštějí. Správa oken takovou přesnost neposkytuje.
Tak jsme přešli na vačkové hřídele. Přijali jsme složitost ventilů, hlav a hnacích řemenů, abychom vyhověli předpisům.
Ale průmysl se mění.
Moderní výrobní tolerance se výrazně zlepšily. Počítačem řízené vstřikovací systémy mohou řídit proces samovznícení s mikronovou přesností. A poptávka po kompaktních, vysoce výkonných pohonných jednotkách pro hybridní systémy a nabíječky pro elektromobily vrací konstrukci s protilehlými písty zpět ze zapomnění.
Společnosti jako Velozity Motors dnes takové motory vyrábějí. Jsou zaměřeny na hybridní vozy, kde se motor nemusí točit do vysokých otáček, ale potřebuje generovat maximální točivý moment v minimální velikosti.
Je připraven pro vašeho každodenního řidiče? Možná ještě ne. Spotřeba oleje může být vysoká. Ropné cesty
Mechanika designu OPOC od Ecomotors
Standardní motory se spoléhají na paralelně se pohybující písty. Jeden válec, jeden píst, vše v řadě. Motory s protilehlými písty (s opačnými písty) mění tuto konstrukci. Umístí dva písty do jednoho válce. Jsou namířeny k sobě. Nesrazí se. To je celá podstata.
Ecomotors vytvořil tento konkrétní design pro DARPA. Nejprve pro vojenské aplikace. To dává smysl vzhledem k přísným požadavkům. Geometrie je neobvyklá. Středem válce prochází klikový hřídel. Kolmo k vrtání válce. Oba písty otáčejí stejným klikovým hřídelem a pohybují se v opačných směrech.
Myslete na délku zdvihu. Každý píst urazí pouze polovinu vzdálenosti, kterou píst urazí ve standardním čtyřdobém motoru. Menší vzdálenost znamená menší tření. Menší tření znamená lepší účinnost paliva. A co výfuk? Shromažďuje se v centru. Konce tlakové láhve není nutné uzavírat, aby se zabránilo úniku plynů dříve, než budou připraveny k úniku.
Zní to jako sen. Jedná se o dvoutaktní motor. Ale ne ten špinavý, olej hltající dvoudobý motor z minulých let. Jedná se o čistou a účinnou jednotku spalující palivo.
Proč má motor OPOC od Ecomotors vysokou hustotu výkonu
Kouzlo je ve vazbě. Každý píst je vlastně rozdělen na dvě části. Pohybují se uvnitř sebe. V opačných směrech.
Takto funguje cyklus. Jeden konec pístů se uzavře. To vytváří kompresi. Směs paliva a vzduchu se stlačí. Přesně ve stejném okamžiku se od sebe oddálí i druhé konce pístů. Tím vzniká vakuum. Vzduch je nasáván. Nasávání a stlačování probíhá současně.
Dva bary. Vstup. Komprese. Zapalování. Vyčerpat. Připraveno.
Konvenční motory vyžadují ke stejné práci čtyři zdvihy. OPOC to dělá ve dvou. Protože dva písty v jednom válci vykonávají u běžného motoru práci dvou samostatných válců, přenášejí při stejném objemu dvojnásobný pohyb na klikovou hřídel.
To odpovídá vysoké hustotě výkonu. Vyšší výkon na kilogram hmotnosti motoru. U vojenských vozidel nebo dronů je hmotnost rozhodující. Tento design odvede svou práci.
Jak modulární konstrukce snižuje počet pohyblivých částí
Jednoduchost je zde hlavním rysem. Standardní spalovací motory jsou mechanické noční můry. Máš vačkové hřídele. Válcové posunovače. Posunovače ventilů. Ventily. Složitý, přesně načasovaný tanec, který udržuje sací a výfukové ventily otevřené pouze v případě potřeby. Nikdy ve stejnou dobu. Vždy ve správné milisekundě.
Ecomotors toto vše odstranil.
Žádné ventily.
“Ventily” jsou jednoduše okna na straně válce. Písty po nich kloužou. Zavírám je. Otevírám je. Vše. Nejsou žádné vačkové hřídele. Žádné rozvodové řemeny. Žádné složité pohonné systémy.
Počet dílů byl snížen z 385 na 62.
To je obrovské snížení. Méně dílů znamená méně věcí k rozbití. Méně věcí na údržbu. Motor je mechanicky jednodušší. Je to spolehlivější.
A je modulární. Mohou být uloženy. Jednoválcový OPOC je technicky dvouválcový motor z hlediska výkonu. Přidejte další. Nyní máte ekvivalent čtyřválcového motoru. Přidejte třetí. Výkon šestiválcového motoru. Pokračujte v připojování válců.
Je to motor budoucnosti? Pravděpodobně. Dokud nebudou jaderné palivové články životaschopné pro spotřebitelské použití. Zvýšení účinnosti je příliš velké na to, aby se dalo ignorovat. Jednoduchost je nepopiratelná.
